EP0408127A2 - Druckpumpe für fliessfähige Medien - Google Patents

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EP0408127A2
EP0408127A2 EP90201808A EP90201808A EP0408127A2 EP 0408127 A2 EP0408127 A2 EP 0408127A2 EP 90201808 A EP90201808 A EP 90201808A EP 90201808 A EP90201808 A EP 90201808A EP 0408127 A2 EP0408127 A2 EP 0408127A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
during
piston
pressure pump
rotor
stroke
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP90201808A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0408127A3 (en
Inventor
Leo Bertram
Hugo Dr. Schemmann
Arend Jan Wilhelmus Abraham Vermeulen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Philips Patentverwaltung GmbH, Philips Gloeilampenfabrieken NV, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Philips Patentverwaltung GmbH
Publication of EP0408127A2 publication Critical patent/EP0408127A2/de
Publication of EP0408127A3 publication Critical patent/EP0408127A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B9/00—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members
    • F04B9/02—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical
    • F04B9/04—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical the means being cams, eccentrics or pin-and-slot mechanisms
    • F04B9/045—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical the means being cams, eccentrics or pin-and-slot mechanisms the means being eccentrics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/118—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with starting devices

Definitions

  • the invention relates to a pressure pump for flowable media, in particular for espresso machines, in which the force acting on a piston during a pumping cycle increases to a maximum value during the compression stroke and is very small during the suction stroke, with a two-pole single-phase synchronous motor serving as a drive motor Revolution has a strongly changing motor torque, which is dependent on the rotor position and the current and which, via an eccentric, which is driven directly by the permanent-magnet rotor without the interposition of a gear, moves the piston, which is displaceable in a piston chamber, alternately in the compression stroke and in the relaxation stroke without a return spring, wherein inlet and outlet valves for the medium are provided in the wall of the piston chamber in the pump housing.
  • espresso preparation water is pressed through the ground coffee under high pressure.
  • a pressure of about 10 bar is required, in particular to produce the indispensable "crema", an emulsion-like substance that floats on the surface of the liquid and is only released from the ground coffee at high pressure .
  • a piston made of soft magnetic material is movable in a solenoid.
  • the coil is connected to the network via a diode, so that current flows through it during one current half-wave of the supply voltage, while it is de-energized during the other current half-wave.
  • a force is exerted on the soft magnetic piston, which accelerates it against a mechanical return spring and the back pressure of the water in a piston chamber. If the pressure exceeds an adjustable limit, a valve opens and the water is pressed into the heating chamber, which is also under pressure, and from there is further pressed through the ground coffee.
  • a pressure pump which is driven by a single-phase synchronous motor and via an eccentric or crank drive arrangement moved a piston.
  • This pump which is used in an oral irrigator, uses a single-phase synchronous motor of approximately 10 W with a permanent-magnet rotor that drives the piston. The engine returns the piston during the relaxation stroke.
  • This pressure pump works with flap valves. With this oral irrigation pump, an overpressure of about 2 bar can be achieved.
  • a metering pump which is actuated by an electric motor drive with a reduction gear.
  • the compression stroke of the pump tappet takes place via an eccentric or cam disc, while the relaxation stroke takes place with the aid of a return spring.
  • the return spring is tensioned during the compression stroke;
  • the greatest spring load on the motor occurs when the pump tappet is deflected to the maximum. Added to this is the operating load on the pump.
  • the motor is not loaded by the pump tappet during the relaxation stroke; rather, it is pushed through the return spring. Due to the reduction gear, the engine experiences a gradually increasing load during a number of revolutions during the compression stroke, whereas it is not loaded by the piston for a few revolutions when the plunger returns.
  • the motor must be designed for the power that occurs at the end of the compression stroke and is largely determined by the return spring in addition to the pump load. This high motor power is not required during the return.
  • the pump according to DE-PS 35 37 297 is additionally equipped with an arrangement for storing mechanical energy in the form of disc springs, which a force directed against the force of the return spring can be transmitted to the pump tappet and which is charged to a state of higher potential energy by the motor cam in the course of the relaxation stroke of the pump tappet.
  • the disc spring supports the motor during the compression stroke against the return spring. Working against each other of return springs and energy storage spring reduces the performance of each of the spring systems.
  • the object is achieved according to the invention by the use as a pump for higher pump pressures from 8 bar to 18 bar, the motor charging an energy store during the relaxation stroke via the eccentric and the energy store during the compression stroke supporting the motor against the compression torque such that the amplitude of the Total torque loading the engine, consisting of the piston torque and the additional torque of the energy storage device, is approximately half as large as the torque that would occur without the additional energy storage device during the first half revolution and is as large as during the first half revolution during the second half rotation , so that the alternating load on the single-phase synchronous motor that occurs during one revolution is reduced to about half while the mean power remains the same.
  • the additional torque generated by the energy store is in the opposite phase to the compression torque.
  • This halves the amplitude of the total retroactive effect on the motor Torque from compression torque and storage spring torque with constant average power. Since the motor is loaded with the storage spring torque when the piston returns, the load on the motor is symmetrized over one revolution, which is adapted to the dynamic behavior of the synchronous motor. When the storage springs supporting the compression stroke are used, the peak load of the synchronous motor which occurs during one revolution is thus halved, although the power to be output by the motor remains unchanged on average. The reduction of the load peaks and the more even distribution of the load on the two mains half-waves prevent the motor from tipping over due to pulse loads.
  • the load on the eccentric cam is greatest at internal dead center with the spring compressed to the maximum.
  • the frictional moment with which the motor is loaded is therefore particularly critical.
  • this problem is solved in that the rotor and the eccentric disk are adjusted relative to one another in such a way that, in the case of a positive direction of rotor rotation when the rotor and stator fields are parallel, in which parallel position no torque is exerted on the rotor by the stator field, the pistons has already passed bottom dead center by an angle that is 20 to 60 degrees, whereby the positive direction of rotor rotation is the one in which the rotor flux coupled to the coils first becomes maximum and then rotates the magnetic reluctance moment which the rotor causes by a small angle experiences currentless coils, becomes zero. This enables the single-phase synchronous motor to be started safely.
  • the eccentric acts on a slide which is guided in the stroke direction in the pump housing and which is connected both to the piston which is displaceable in the piston chamber and to a yoke which act on storage springs which are tensioned between the yoke and the pump housing are.
  • the unit consisting of slide, piston and yoke is a structure which can be economically produced by spraying technology and which can be inserted and brought together in the pump housing and which is held in the pump housing by means of the springs acting as storage springs.
  • the construction is particularly simple if, according to a further embodiment of the invention, the storage springs are designed as tension springs.
  • the eccentric acts on a slide guided in the stroke direction in the pump housing, which is provided on the pump side with the piston which can be displaced in the piston chamber and cooperates on the support side with a pressure spring via a tappet.
  • a compression spring acts more centrally on the slide.
  • the eccentric engages in a longitudinal slot of the slide which runs transversely to the stroke direction. On this creates a direct connection between the eccentric on the motor shaft and the slide with piston and yoke or tappet.
  • a single-phase synchronous motor with a power output of approximately 10 W is used for a pump pressure of 12 bar and a throughput of liquid medium of 0.1 to 0.25 l / min.
  • the pressure pump is used in coffee machines, espresso machines or high-pressure cleaners.
  • the operating time of the pump is used to determine the amount of liquid delivered.
  • the time can thus be used as a measure of the quantity delivered and thus for metering purposes.
  • the valves are equipped with rigid, movable valve bodies, the valve bodies being able to be designed, for example, as balls.
  • FIG. 1 shows a pump housing 1 with a water inlet connector 3 and a water outlet connector 5.
  • the water ducts 3a and 5a in the water inlet connector 3 and the water outlet connector 5 open at valve seats 3b and 5b, which can be closed by means of valve balls 3c, 5c with the aid of valve springs 3d and 5d.
  • a piston chamber 7 Between the valves 3e and 5e there is a piston chamber 7, in which a piston 9 can be displaced in the compression direction and in the relaxation direction.
  • the piston is directly connected to a slide 11, which ver in a slide guide 13 in the stroke direction together with the piston is slidable.
  • a yoke 19 is arranged on the slide 11 on the side 17 opposite the piston shoulder 15 on the slide 11.
  • the yoke 19, the slide 11 and the piston 9 can consist of an injection molded part.
  • the yoke 19 has brackets 21 with notches 23, in which end hooks 25 of spring springs 27 are suspended.
  • the end hooks 29 at the other ends of the storage springs 27 are hooked into tensioning hooks 31 which engage the pump housing 1, for example in the area of the valves 3e and 5e.
  • transverse slot 33 which extends transversely to the stroke direction indicated by a double arrow 35.
  • An eccentric 37 engages in the transverse slot 33 and is arranged on the shaft 39 of a single-phase synchronous motor, not shown.
  • the storage springs are pulled out and thus charged with energy.
  • the storage springs 27 then support the compression force supplied by the motor, the loading torque of the spring energy accumulator exerted on the motor being half as large as the load torque exerted on the compression stroke due to a corresponding design of the storage springs 27.
  • the end of the relaxation stroke is indicated in FIG. 1 with bottom dead center UT and the end of the compression stroke is indicated in FIG. 1 with top dead center OT.
  • Fig. 2 again shows the pump housing 1 with a water inlet connector 3 and a water outlet connector 5. Opposite the piston chamber 7 are the water inlet connector 3 and Water outlet nozzle 5 closed by means of valves 3e and 5e.
  • the slide 11 is displaceable in the slide guide 13 with the aid of an eccentric cam 37 which engages in the transverse slot 33.
  • the cam 37 is arranged eccentrically on the shaft 39 of the single-phase synchronous motor, not shown in the drawing.
  • a plunger 41 is inserted into the slide 11 on the support side 17.
  • a counter bearing socket 45 is placed on the carrier 43 of the guide, which has a spring guide 47 and a bearing plug 49 which can be screwed into a thread 51 at the outer end of the counter bearing socket 45.
  • a compression spring 55 is provided between the inner counter bearing surface 53 of the counter bearing plug 49 and the tappet 41. This compression spring 55 can be brought to a specific preload by screwing in the counter bearing plug 49 between the slide 11 and the counter bearing plug 49.
  • the operation of the pressure pump according to FIG. 2 corresponds to that of the pressure pump according to FIG. 1.
  • the storage pressure spring 55 is brought under higher prestress and thus with it Charged with energy.
  • the accumulator compression spring then supports the compression force supplied by the motor, the loading torque of the spring energy accumulator exerted on the motor being half as large by designing the accumulator compression spring as that of the compression stroke applied load moment.
  • the storage torque can be set by adjusting or adjusting the counterbearing plug 49.
  • a single-phase synchronous motor with a power output of approximately 10 W can be used for a pump pressure of approximately 12 bar and a throughput of liquid medium of 0.1 to 0.25 l / min.
  • Such a motor is small and can be used well in small household appliances such as coffee machines, espresso machines or high-pressure cleaners.
  • FIG. 3a shows a schematically simplified diagram in which the force F on the piston (shown in a dash-dotted line) and the moment M K (shown in solid lines) which the motor experiences through the piston without additional energy storage during a pump cycle as a function of the pump cycle is represented by time.
  • the compression stroke is run through during the first 10 ms.
  • the force on the piston remains approximately constant during this time due to the incompressibility of the medium and the approximately constant back pressure on the pressure side.
  • Fig. 3b shows schematically simplified the situation when using an additional energy storage according to the invention.
  • the energy storage e.g. B. a mechanical spring is at the end of a suction stroke or at the beginning of a compression stroke maximum tension and exerts a moment M F on the engine during the compression stroke, which is in phase opposition to the piston moment M K and whose amplitude is approximately half as large as the amplitude of the piston torque M K.
  • the total moment M G acting on the engine during the compression phase has an amplitude which is also reduced to about half compared to the case without a spring (according to FIG. 3a).

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Abstract

Druckpumpe für fließfähige Medien, insbesondere für Espressomaschinen, zur Verwendung als Pumpe für höhere Pumpdrücke von 8 bar bis 18 bar, wobei ein Einphasensynchronmotor beim Entspannungshub über den Exzenter einen Energiespeicher (27, 55) lädt und der Energiespeicher beim Kompressionshub den Motor gegen das Kompressionsmoment unterstützt derart, daß die Amplitude des den Motor belastenden Gesamtmomentes, bestehend aus Kolbenmoment und Zusatzmoment des Energiespeichers, während der ersten halben Umdrehung etwa halb so groß ist wie das Moment, das ohne den zusätzlichen Energiespeicher (27, 55) auftreten würde, und während der zweiten halben Umdrehung gleich groß ist wie bei der ersten halben Umdrehung, so daß die während einer Umdrehung auftretende Wechselbelastung auf den Einphasensynchronmotor auf etwa die Hälfte reduziert wird bei gleichbleibender mittlerer Leistung.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckpumpe für fließ­fähige Medien, insbesondere für Espressomaschinen, bei der die auf einen Kolben wirkende Kraft während eines Pump­zyklusses beim Kompressionshub auf einen Maximalwert ansteigt und beim Saughub sehr gering ist, mit einem als Antriebsmotor dienenden zweipoligen Einphasensynchron­motor, der über eine Umdrehung ein von der Rotorstellung und dem Strom abhängiges, stark wechselndes Motormoment aufweist und der über einen Exzenter, der ohne Zwischen­schaltung eines Getriebes unmittelbar vom dauermagneti­schen Rotor angetrieben wird, den in einem Kolbenraum verschiebbaren Kolben ohne Rückholfeder abwechselnd im Kompressionshub vor und im Entspannungshub zurück bewegt, wobei in der Wand des Kolbenraumes im Pumpengehäuse ange­ordnete Ein- und Auslaßventile für das Medium vorgesehen sind.
  • Bei der Espresso-Zübereitung wird Wasser unter hohem Druck durch das Kaffeemehl gepreßt. Zur Erzielung einer guten Espresso-Qualität ist ein Druck von etwa 10 bar erforder­lich, dies insbesondere zur Erzeugung der für den Kenner unverzichtbaren "Crema", einer emulsionsartigen Substanz, die an der Oberfläche der Flüssigkeit schwimmt und nur bei hohem Druck aus dem Kaffeemehl gelöst wird.
  • Es sind elektrisch betriebene Pumpen für die Espresso-­Zubereitung bekannt, bei denen ein aus weichmagnetischem Material bestehender Kolben in einer Zylinderspule beweg­lich ist. Die Spule ist über eine Diode an das Netz angeschlossen, so daß sie während einer Strom-Halbwelle der Versorgungsspannung vom Strom durchflossen ist, während sie während der anderen Strom-Halbwelle stromlos ist. Solange Strom fließt, wird auf den weichmagnetischen Kolben eine Kraft ausgeübt, die diesen gegen eine mecha­nische Rückholfeder und den Gegendruck des Wassers in einem Kolbenraum beschleunigt. Überschreitet der Druck einen einstellbaren Grenzwert, so öffnet ein Ventil, und das Wasser wird in die sich ebenfalls unter Druck befind­liche Heizkammer und von dort aus weiter durch das Kaffee­mehl gepreßt. Setzt der Strom aus, so drückt die Rückhol­feder den Kolben zurück, der Wasserdruck im Kolbenraum bricht zusammen, und das Auslaßventil schließt wieder. Gleichzeitig öffnet ein Einlaßventil, und neues Wasser kann in den Pumpenraum eindringen. Mit der neuen Halbwelle des Stromes wiederholt sich das Spiel.
  • Der elektromechanische Wirkungsgrad einer derartigen Anordnung ist schlecht. Demzufolge ist die erforderliche aufgenommene Leistung hoch und das Leistungsvolumen niedrig. Dies führt dazu, daß die bekannten Pumpen­aggregate ein großes Bauvolumen haben und wegen des damit verbundenen Materialaufwandes nicht wirtschaftlich zu fertigen sind.
  • Aus der DE-PS 34 19 177 (PHD 84-079) ist eine Druckpumpe bekannt, die von einem Einphasensynchronmotor angetrieben wird und über eine Exzenter- oder Kurbeltriebanordnung einen Kolben bewegt. Bei dieser Pumpe, die bei einer Mund­dusche zum Einsatz kommt, wird ein Einphasensynchronmotor von etwa 10 W mit dauermagnetischem Läufer verwendet, der den Kolben antreibt. Das Rückholen des Kolbens beim Entspannungshub bewirkt der Motor. Eine ausgeführte Konstruktion dieser Druckpumpe arbeitet mit Klappen­ventilen. Mit dieser Mundduschen-Pumpe läßt sich ein Über­druck von etwa 2 bar erreichen.
  • Aus der DE-PS 35 37 297 ist eine Dosierpumpe bekannt, die von einem elektromotorischen Antrieb mit einem Unterset­zungsgetriebe betätigt wird. Der Kompressionshub des Pumpenstößels erfolgt über eine Exzenter- oder Kurven­scheibe, während der Entspannungshub mit Hilfe einer Rück­holfeder geschieht. Beim Kompressionshub wird die Rückhol­feder gespannt; die stärkste Federbelastung des Motors tritt auf, wenn der Pumpenstößel maximal ausgelenkt ist. Hinzu kommt noch die Betriebsbelastung der Pumpe. Während des Entspannungshubes wird der Motor vom Pumpenstößel nicht belastet; er wird vielmehr durch die Rückholfeder geschoben. Aufgrund des Untersetzungsgetriebes erfährt der Motor während einer Anzahl von Umdrehungen beim Kompressionshub eine allmählich zunehmende Belastung, wogegen er beim Rücklauf des Stößels während einiger Umdrehungen vom Kolben nicht belastet wird. Der Motor muß auf die Leistung ausgelegt werden, die am Ende des Kompressionshubes auftritt und außer durch die Pump­belastung wesentlich durch die Rückholfeder bestimmt wird. Diese hohe Motorleistung wird während des Rücklaufes nicht benötigt. Die Pumpe nach der DE-PS 35 37 297 ist zusätzlich mit einer Anordnung zur Speicherung mechani­scher Energie in Form von Tellerfedern ausgestattet, die eine entgegen der Kraft der Rückholfeder gerichtete Kraft auf den Pumpenstößel übertagen können und die im Verlauf des Entspannungshubes des Pumpenstößels durch die Motor­kurvenscheibe auf einen Zustand höherer potentieller Energie geladen wird. Während des Kompressionshubes gegen die Rückholfeder unterstützt die Tellerfeder den Motor. Das Gegeneinander-Arbeiten von Rückholfedern und Energie­speicherfeder mindert die Leistung jedes der Federsysteme.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektromechanische Druckpumpe zur Förderung von Flüssigkeiten zu realisieren, die kleinbauend ist und wirtschaftlich aus wenigen Teilen hergestellt werden kann.
  • Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung als Pumpe für höhere Pumpdrücke von 8 bar bis 18 bar, wobei der Motor beim Entspannungshub über den Exzenter einen Energiespeicher lädt und der Energie­speicher beim Kompressionshub den Motor gegen das Kompressionsmoment unterstützt derart, daß die Amplitude des den Motor belastenden Gesamtmomentes, bestehend aus Kolbenmoment und Zusatzmoment des Eneregiespeichers, während der ersten halben Umdrehung etwa halb so groß ist wie das Moment, das ohne den zusätzlichen Energiespeicher auftreten würde, und während der zweiten halben Umdrehung gleich so groß ist wie bei der ersten halben Umdrehung, so daß die während einer Umdrehung auftretende Wechsel­belastung auf den Einphasensynchronmotor auf etwa die Hälfte reduziert wird bei gleichbleibender mittlerer Leistung.
  • Das von dem Energiespeicher erzeugte Zusatzmoment liegt in Gegenphase zum Kompressionsmoment. Dadurch halbiert sich die Amplitude des insgesamt auf den Motor rückwirkenden Momentes aus Kompressionsmoment und Speicherfedermoment bei gleichbleibender mittlerer Leistung. Da der Motor beim Rücklauf des Kolbens mit dem Speicherfedermoment belastet ist, erfolgt eine Symmetrierung der Belastung des Motors über eine Umdrehung, die dem dynamischen Verhalten des Synchronmotors angepaßt ist. Bei Verwendung der den Kompressionshub unterstützenden Speicherfedern wird die während einer Umdrehung auftretende Spitzenbelastung des Synchronmotors also halbiert, obwohl die im Mittel von dem Motor abzugebende Leistung unverändert bleibt. Der Abbau der Lastspitzen und die gleichmäßigere Verteilung der Belastung auf die beiden Netz-Halbwellen verhindern das Abkippen des Motors aufgrund von Pulsbelastungen.
  • Im internen Totpunkt bei maximal komprimierter Feder ist die Belastung des Exenternockens am größten. Damit ist auch das Reibungsmoment, mit dem der Motor belastet ist, besonders kritisch.
  • Für den Anlauf des Einphasensynchronmotors ist es erforderlich, daß er nicht durch Reibungs- oder andere Momente im Parallelstand von Rotorfeld und Statorfeld festgehalten wird. In dieser Stellung wird vom Statorstrom kein Moment auf den Rotor ausgeübt. Das magnetische Reluktanzmoment bei stromlosen Motorspulen muß, wenn auf zusätzliche Hilfsmittel verzichtet wird, größer sein als die in der Parallelstellung auftretenden Lastmomente. Es ist bekannt (ETZ 30, 1978, Seiten 56 bis 60), mit Hilfe von mechanischen Starthilfen, wie Feder-Nocken-Anordnun­gen, den Motor aus der Parallelstellung zu drehen. Dies erfolgt in beiden um 180° verdrehten Positionen des Motors, weil die Periodenlänge des Hilfsmomentes halb so groß ist wie die der Rotorumdrehung und sich deshalb jeweils nach einer halben Rotorumdrehung wiederholt. Im vorliegenden Fall ist ebenfalls ein Federmoment wirksam, welches jedoch bei der gegebenen Exzenteranordnung die gleiche Periodendauer hat wie die Rotorumdrehung. Auch hier läßt sich durch geschickte Anordnung des Feder­momentes in bezug auf die Magnetisierungsrichtung des Rotors durch geeignete Wahl der Exzenterpositionierung erreichen, daß der Rotor aus einer der beiden jeweils nach 180° auftretenden Parallelstellungen gedreht wird. In der Umgebung der anderen Parallelstellung wirkt das Feder­moment jedoch gegen das Reluktanzmoment und schwächt somit das Gesamtmoment, mit welchem der Rotor aus der Parallel­stellung gezogen wird. Daduch wird das gesamte Reibungs­moment, welches der Motor beim Starten überwinden kann, bei dieser Position verkleinert, während es in der anderen Position vergrößert wird.
  • Diese Problematik wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch gelöst, daß der Rotor und die Exzenterscheibe derart gegeneinander verstellt sind, daß bei positiver Rotordrehrichtung bei Parallelstellung von Rotor- und Statorfeld, in welcher Parallelstellung auf den Rotor vom Statorfeld kein Drehmoment ausgeübt wird, der Kolben den unteren Totpunkt bereits um einen Winkel durchlaufen hat, der 20 bis 60 Winkelgrade beträgt, wobei die positive Rotordrehrichtung diejenige ist, in der zuerst der mit den Spulen gekoppelte Rotorfluß maximal wird und dann um einen kleinen Winkel verdreht das magnetische Reluktanzmoment, welches der Rotor bei stromlosen Spulen erfährt, gleich Null wird. Dadurch läßt sich ein sicherer Start des Einphasensynchronmotors erreichen.
  • Nach einer weiteren Augestaltung der Erfindung ist vorge­sehen, daß der Exzenter auf einen in Hubrichtung im Pumpengehäuse geführten Schieber einwirkt, der sowohl mit dem im Kolbenraum verschiebbaren Kolben als auch einem Joch verbunden ist, an dem Speicherfedern angreifen, die zwischen dem Joch und dem Pumpengehäuse gespannt sind. Die Einheit aus Schieber, Kolben und Joch ist ein in Spritz­technik wirtschaftlich herstellbares Gebilde, das in das Pumpengehäuse einsteckbar und zusammenbringbar ist und das mittels den als Speicherfedern wirkenden Federn in dem Pumpengehäuse gehalten wird. Besonders einfach ist die Konstruktion, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Speicherfedern als Zugfedern ausgebildet sind.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­sehen, daß der Exzenter auf einen in Hubrichtung im Pumpengehäuse geführten Schieber einwirkt, der pumpen­seitig mit dem im Kolbenraum verschiebbaren Kolben versehen ist und abstützseitig über einen Stößel mit einer Druckspeicherfeder zusammenwirkt. Eine solche Druckfeder wirkt zentrischer auf den Schieber. Wenn nach einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform vorgesehen ist, daß sich die Druckspeicherfeder auf der vom Schieber abliegenden Seite an einem Lager abstützt, das in Verschieberichtung des Schiebers verstellbar ist, dann ist die Speicherkraft der Druckfeder einstellbar. Das ganze System läßt sich damit an die Gegebenheiten anpassen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­sehen, daß der Exzenter in einen quer zur Hubrichtung verlaufenden Längsschlitz des Schiebers eingreift. Auf diese Weise kommt eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Exzenter auf der Motorwelle und dem Schieber mit Kolben und Joch oder Stößel zustande.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­sehen, daß für einen Pumpendruck von 12 bar und einen Durchsatz flüssigen Mediums von 0,1 bis 0,25 l/min ein Einphasensynchronmotor von ca. 10 W abgegebener Leistung eingesetzt wird. Mit einem kleinbauenden Einphasen­synchronmotor läßt sich damit eine ausreichende Wasser­menge mit hohem Druck fördern. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kommt die Druckpumpe bei Kaffeemaschinen, Espressomaschinen oder Hochdruckreinigern zur Anwendung.
  • Bei bekannten Espressomaschinen werden zum Antrieb elektromagnetische Schwingsysteme eingesetzt, deren Schwingweite vom durch das System aufgebrachten Gegendruck abhängig ist. Dies hat zur Folge, daß die Fördermenge der Pumpe mit steigendem Druck sinkt und bei hohen Drücken, wie sie bei der Espressozübereitung wünschenswert sind, stark zurückgeht. Die für die Zübereitung einer gewissen Menge des Getränkes erforderliche Zeit ist damit ebenfalls vom Gegendruck, der Kaffeesorte und der Füllmenge abhängig; die Zeit kann deshalb nicht zu Dosierzwecken herangezogen werden. Eine von einem Einphasensynchronmotor angetriebene Druckpumpe hat unabhäng vom Gegendruck eine nahezu konstante Schwingweite. Wenn dafür gesorgt wird, daß auch die Ventilwirkung bei hohen Drücken einwandfrei funktionsfähig bleibt, ist die Fördermenge unabhängig vom Gegendruck.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß die Betriebszeit der Pumpe zur Bestimmung der geförderten Flüssigkeitsmenge eingesetzt wird. Die Zeit kann so als Maß für die geförderte Menge und damit zu Dosierzwecken eingesetzt werden. Zur Aufrechterhaltung einer einwandfreien Ventilfunktion ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorge­sehen, daß die Ventile mit steifen beweglichen Ventil­körpern ausgerüstet sind, wobei die Ventilkörper beispielsweise als Kugeln ausgebildet werden können.
  • Die Druckpumpe wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 eine Druckpumpe mit Speicherzugfedern,
    • Fig. 2 eine Druckpumpe mit Speicherdruckfeder,
    • Fig. 3a und 3b Diagramme zur Erläuterung des Zusammen­spiels von zusätzlicher Speicherfeder, Motormoment und Pumpenbelastung.
  • Fig. 1 zeigt ein Pumpengehäuse 1 mit einem Wassereinlaß­stutzen 3 und einem Wasserauslaßstutzen 5. Die Wasser­führungen 3a und 5a in dem Wassereinlaßstutzen 3 und dem Wasserauslaßstutzen 5 münden an Ventilsitzen 3b und 5b, die mittels Ventilkugeln 3c, 5c verschließbar sind unter Zuhilfenahme von Ventilfedern 3d und 5d. Zwischen den Ventilen 3e und 5e befindet sich ein Kolbenraum 7, in dem ein Kolben 9 in Kompressionsrichtung und in Entspan­nungsrichtung verschiebbar ist. Der Kolben ist unmittelbar mit einem Schieber 11 verbunden, der in einer Schieber­führung 13 in Hubrichtung zusammen mit dem Kolben ver­ schiebbar ist. Auf der dem Kolbenansatz 15 am Schieber 11 gegenüberliegenden Seite 17 ist am Schieber 11 ein Joch 19 angeordnet. Das Joch 19, der Schieber 11 und der Kolben 9 können aus einem Spritzteil bestehen.
  • Das Joch 19 weist Ausleger 21 mit Kerben 23 auf, in die Endhaken 25 von Speicherfedern 27 eingehängt sind. Die Endhaken 29 an den anderen Enden der Speicherfedern 27 sind in Spannhaken 31 eingehängt, die am Pumpengehäuse 1 beispielsweise im Bereich der Ventile 3e und 5e angreifen.
  • In dem Schieber 11 befindet sich ein Querschlitz 33, der quer zu der durch einen Doppelpfeil 35 angegebenen Hub­richtung verläuft. In den Querschlitz 33 greift ein Exzenter 37, der auf der Welle 39 eines nicht dar­gestellten Einphasensynchronmotors angeordnet ist.
  • Bei dem Entspannungshub, bei dem der Exzenter 37 den Kolben 9 von den Ventilen 3e, 5e wegzieht, werden die Speicherfedern ausgezogen und damit mit Energie geladen. Beim Kompressionshub in Richtung auf die Ventile 3e, 5e unterstützen die Speicherfedern 27 dann die vom Motor gelieferte Kompressionskraft, wobei das auf den Motor ausgeübte Lademoment des Federenergiespeichers durch eine entsprechende Auslegung der Speicherfedern 27 halb so groß ist wie das beim Kompressionshub ausgeübte Lastmoment. Das Ende des Entspannungshubes ist in Fig. 1 mit dem unteren Totpunkt UT und das Ende des Kompressionshubes ist in Fig. 1 mit dem oberen Totpunkt OT angegeben.
  • Fig. 2 zeigt wieder das Pumpengehäuse 1 mit einem Wasser­einlaßstutzen 3 und einem Wasserauslaßstutzen 5. Gegenüber dem Kolbenraum 7 sind der Wassereinlaßstutzen 3 und der Wasserauslaßstutzen 5 mittels Ventilen 3e und 5e geschlossen. In dem Kolbenraum 7 ist der Kolben 9 verschiebbar, der an dem Schieber 11 pumpenseitig befestigt ist. Der Schieber 11 ist in der Schieber­führung 13 verschiebbar mit Hilfe eines in den Querschlitz 33 eingreifenden exzentrischen Nockens 37. Der Nocken 37 ist exzentrisch angeordnet an der Welle 39 des in der Zeichnung nicht dargestellten Einphasensynchronmotors.
  • An der Abstützseite 17 ist in den Schieber 11 ein Stößel 41 eingesetzt. Außerdem ist auf den Träger 43 der Führung ein Gegenlagerstutzen 45 aufgesetzt, der eine Federführung 47 und einen Lagerstopfen 49 aufweist, der in ein Gewinde 51 am äußeren Ende des Gegenlagerstutzens 45 einschraubbar ist. Zwischen der innengelegenen Gegenlagerfläche 53 des Gegenlagerstopfens 49 und dem Stößel 41 ist eine Druck­feder 55 vorgesehen. Diese Druckfeder 55 kann durch das Einschrauben des Gegenlagerstopfens 49 zwischen dem Schieber 11 und dem Gegenlagerstopfen 49 auf eine bestimmte Vorspannung gebracht werden.
  • Die Funktionsweise der Druckpumpe nach Fig. 2 entspricht der der Druckpumpe nach Fig. 1. Bei dem Entspannungshub, bei dann der Exzenter 37 den Kolben 9 von den Ventilen 3e, 5e in Entspannungsrichtung wegzieht, wird die Speicher­druckfeder 55 unter höhere Vorspannung gebracht und damit mit Energie geladen. Beim Kompressionshub in Richtung auf die Ventile 3e, 5e unterstützt die Speicherdruckfeder dann die vom Motor gelieferte Kompressionskraft, wobei das auf den Motor ausgeübte Lademoment des Federenergiespeichers durch eine entsprechende Auslegung der Speicherdruckfeder halb so groß ist, wie das beim Kompressionshub ausgeübte Lastmoment. Durch ein Einstellen bzw. Verstellen des Gegenlagerstopfens 49 läßt sich das Speichermoment einstellen.
  • Für einen Pumpdruck von etwa 12 bar und einen Durchsatz flüssigen Mediums von 0,1 bis 0,25 l/min läßt sich ein Einphasensynchronmotor von etwa 10 W abgegebener Leistung einsetzen. Ein solcher Motor ist kleinbauend und läßt sich gut in kleinen Haushaltsgeräten, wie beispielsweise Kaffeemaschinen, Espressomaschinen oder Hochdruck­reinigern, einsetzen.
  • Fig. 3a zeigt ein schematisch vereinfachtes Diagramm, in welchem die Kraft F auf den Kolben (dargestellt in einer strichpunktierten Linie) und das Moment MK (durchgezogen dargestellt), welches der Motor ohne zusätzlichen Energie­speicher durch den Kolben erfährt, während eines Pumpen­zyklusses in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt wird. Während der ersten 10 ms wird der Kompressionshub durch­laufen. Die Kraft auf den Kolben bleibt in dieser Zeit wegen der Inkompressibilität des Mediums und dem etwa konstanten Gegendruck auf der Druckseite in etwa konstant. Das Moment, das der Kolben auf den Motor ausübt, ist aufgrund des Exzenterantriebes unter idealen Bedingun­gen und unter Vernachlässigung der Reibung im unteren Totpunkt bei T = O ms und im oberen Totpunkt bei T = 10 ms, also am Ende des Kompressionshubes gleich Null. In der Zwischenzeit durchläuft es ein Maximum. Während des Ansaughubes, beim Zurückbewegen des Kolbens, in der Zeit zwischen 10 ms und 20 ms fällt der Druck auf den Kolben weg, und das belastende Moment ist gleich Null. Dies führt zu einer sehr ungleichmäßigen Belastung des Motors, die insbesondere für Einphasensynchronmotoren sehr kritisch ist, weil sie zur Anregung von Schwingungen führt, die den Motor außer Tritt fallen und schließlich abkippen lassen.
  • Fig. 3b zeigt schematisch vereinfacht die Verhältnisse bei Hinzuziehung eines zusätzlichen Energiespeichers ent­sprechend der Erfindung. Der Energiespeicher, z. B. eine mechanische Feder, ist am Ende eines Saughubes bzw. am Beginn eines Kompressionshubes maximal gespannt und übt auf den Motor während des Kompressionshubes ein Moment MF aus, welches in Gegenphase zum Kolbenmoment MK ist und dessen Amplitude etwa halb so groß ist wie die Amplitude des Kolbenmomentes MK. Das insgesamt auf den Motor während der Kompressionsphase wirkende Moment MG hat eine Amplitude, die gegenüber dem Fall ohne Feder (nach Fig. 3a) ebenfalls auf etwa die Hälfte reduziert ist. Während des Saughubes bleibt lediglich die Wirkung des Federmomentes MF übrig, so daß sich auch während des Saughubes ein Gesamtmoment MG, welches auf den Motor wirkt, ergibt, welches der Belastung während des Kompressionshubes entspricht. Dadurch wird die einseitige Pulsbelastung während einer halben Umdrehung vermieden, und der Motor gerät nicht ins Schwingen und hat einen ruhigeren Lauf ohne abzukippen.

Claims (12)

1. Druckpumpe für fließfähige Medien, insbesondere für Espressomaschinen, bei der die auf einen Kolben wirkende Kraft während eines Pumpzyklusses beim Kompressionshub auf einen Maximalwert ansteigt und bei Saughub sehr gering ist, mit einem als Antriebsmotor dienenden zweipoligen Einphasensynchronmotor, der über eine Umdrehung ein von der Rotorstellung und dem Strom abhängiges, stark wechselndes Motormoment aufweist und der über einen Exzenter (37), der ohne Zwischenschaltung eines Getriebes unmittelbar vom dauermagnetischen Rotor angetrieben wird, den in einem Kolbenraum (7) verschiebbaren Kolben (9) ohne Rückholfeder abwechselnd im Kompressionshub vor und im Entspannungshub zurück bewegt, wobei in der Wand des Kolbenraumes (7) im Pumpengehäuse angeordnete Ein- und Auslaßventile (3e, 5e) für das Medium vorgesehen sind, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Pumpe für höhere Pumpdrücke von 8 bar bis 18 bar, wobei der Motor beim Entspannungshub über den Exzenter einen Energiespeicher (27, 55) lädt und der Energiespeicher beim Kompressionshub den Motor gegen das Kompressionsmoment unterstützt derart, daß die Amplitude des den Motor belastenden Gesamt­momentes, bestehend aus Kolbenmoment und Zusatzmoment des Energiespeichers, während der ersten halben Umdrehung etwa halb so groß ist wie das Moment, das ohne den zusätzlichen Energiespeicher (27, 55) auftreten würde, und während der zweiten halben Umdrehung gleich groß ist wie bei der ersten halben Umdrehung, so daß die während einer Umdrehung auftretende Wechselbelastung auf den Einphasen­synchronmotor auf etwa die Hälfte reduziert wird bei gleichbleibender mittlerer Leistung.
2. Druckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor und die Exzenterscheibe (37) derart gegen­einander verstellt sind, daß bei positiver Rotordrehrich­tung bei Parallelstellung von Rotor- und Statorfeld, in welcher Parallelstellung auf den Rotor vom Statorfeld kein Drehmoment ausgeübt wird, der Kolben den unteren Totpunkt (UT) bereits um einen Winkel durchlaufen hat, der 20 bis 60 Winkelgrade beträgt, wobei die positive Rotordrehrich­tung diejenige ist, in der zuerst der mit den Spulen gekoppelte Rotorfluß maximal wird und dann um einen kleinen Winkel verdreht das magnetische Reluktanzmoment, welches der Rotor bei stromlosen Spulen erfährt, gleich Null wird.
3. Druckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter (37) auf einen in Hubrichtung im Pumpen­gehäuse (1) geführten Schieber (11) einwirkt, der sowohl mit dem im Kolbenraum (7) verschiebbaren Kolben (9) als auch mit einem Joch (19) verbunden ist, an dem Speicher­federn (27) angreifen, die zwischen dem Joch (19) und dem Pumpengehäuse (1) gespannt sind.
4. Druckpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherfedern Zugfedern (27) sind.
5. Druckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter (37) auf einen in Hubrichtung im Pumpen­gehäuse (1) geführten Schieber (11) einwirkt, der pumpen­seitig (15) mit dem im Kolbenraum (7) verschiebbaren Kolben (9) versehen ist und abstützseitig (17) über einen Stößel (41) mit einer Druckspeicherfeder (55) zusammen­wirkt.
6. Druckpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Druckspeicherfeder (55) auf der vom Schieber (11) abliegenden Seite an einem Lager (49) abstützt, das in Verschieberichtung des Schiebers (11) verstellbar ist.
7. Druckpumpe nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeich­net, daß der Exzenter (37) in einem quer zur Hubrichtung verlaufenden Längsschlitz (33) des Schiebers (11) eingreift.
8. Druckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Pumpendruck von 12 bar und einen Durchsatz flüssigen Mediums von 0,1 bis 0,25 l/min ein Einphasen­synchronmotor von ca. 10 W abgegebener Leistung eingesetzt wird.
9. Druckpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckpumpe bei Kaffeemaschinen, Espressomaschinen oder Hochdruckreinigern zur Anwendung kommt.
10. Druckpumpe nach Anspruch 1 oder 9 mit den Einlaß und den Auslaß des fließfähigen Mediums aus dem Kolbenraum regelnden Ventilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (3e, 5e) mit steifen beweglichen Ventilkörpern ausgerüstet sind.
11. Druckpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkörper als Kugeln ausgebildet sind.
12. Druckpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebszeit der Pumpe zur Bestimmung der geförderten Flüssigkeitsmenge eingesetzt wird.
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